INFOKOMMUNIKÁCIÓS TECHNOLÓGIA KIDOLGOZÁSA ÉS REGIONÁLIS HASZNOSÍTÁSA AZ ENERGIAELOSZTÁS TERÜLETÉN

1. INFOKOMMUNIKÁCIÓS TECHNOLÓGIA KIDOLGOZÁSA ÉS REGIONÁLIS HASZNOSÍTÁSA AZ ENERGIAELOSZTÁS TERÜLETÉN Szakonyi LajosPTE PMMK Műszaki Informatika Tanszék

2. Előzmények Műszaki technológiai folyamatok identifikálásánál az elsődleges feladat a folyamat absztrahált leírása matematikai modell formájában. A vizsgált anyag – és energiaáram hálózat (városi vízgőzhálózat) üzemviteli paramétereinek helyes beállítása, az energia fogyasztói igényekhez igazodó, folyamatosan kontrollálható és módosítható elosztása igényli a matematikai modellen végzett vizsgálatot, a számítógépes szimulációt. Projektünk (GVOP-3.1.1-2004-05-0125/3.0 ) bázisrendszeréül a Pécs városi vízgőzhálózat szolgál, mely éves szinten ~130 ezer tonna vízgőz elosztásával, ~550 mFt energiaköltség kiszámlázásával a város jelentős részére terjed ki, s a jelenleginél jóval nagyobb vízgőzigény ellátására alkalmas. Pécs városi vízgőzhálózat topológiája

4. Az energiaveszteségek csökkentésének igénye indokolja a veszteségek felmérését, helyi és időbeli pontosítását, továbbá a javaslattételt az energiatakarékosabb üzemvitelre. Az előbbiek alapján feladataink: - a működő rendszeren elvégzett megbízható mérések, a kísérleti identifikáció; - a fogyasztói igényekhez igazodó, változtatható üzemállapotok és beavatkozások lehetőségének biztosítása; - az előbbi üzemállapot-alternatívákat megvalósító, energiaáram elosztás modellezésére szolgáló, nemlineáris hálózati matematikai modellek kidolgozása; - az optimális üzemvitel és számítógépes irányítási stratégia felállítása; - az energetikai veszteségek csökkentése mellett az energiaellátás biztonságát is szolgáló szakértői és döntéstámogató rendszer kimunkálása.

5. Tanszékünk regionális célok megvalósítása érdekében a termelői-szolgáltatói szférával (a PÉTÁV Távfűtő Kft.) együttműködve, a műszaki informatika szak gesztor tanszékétől elvárható kutatási-fejlesztési irányoknak(nagy rendszerek komplexitás-kezelése, mesterséges intelligencia alkalmazások, infokommunikációs technológiák kifejlesztése, hasznosítása) is megfelelve törekszik a projekt megvalósítására • Az alkalmazott kutatás célja, főbb tevékenységei A projekt fő célja a konzorciumi partner által működtetett energiaáram hálózatra telepítendő számítógépes monitoring és irányítási rendszer létrehozásának elősegítése, mely megteremti a lehetőségét: - az energiaelosztás folyamatos ellenőrzése és szabályozása révén az időszakosan jelentkező „többletenergia” célirányos hasznosításá- nak, a gerinchálózaton és a fogyasztónál jelentkező energiaveszteségek csökkentésének;

6. az elszámolás alapját jelentő ellenőrzött és dokumentált energiaáram mérések, ezek igények szerinti feldolgozása és kiértékelése által az energiát előállító, szolgáltató és felhasználó közötti szerződésteljesítések ellenőrzésének; • az előbbi szerződő felek közötti megállapodásoknál az optimális energiaelosztást és felhasználást jelentő üzemeltetési stratégia kidolgozásának. A projekt betervezett, elvégzendő tevékenységei • a kísérleti identifikáció elvégzését, az energiaelosztás ellenőrzését biztosító monitoring rendszer; • az anyag- és energiaáram hálózat modelljeként, változó „forrásokkal”, ellenállásokkal, fogyasztóhelyekkel működtethető szimulációs rendszer; • a változó topológiák, üzemállapotok követésére alkalmas üzemviteli programcsomag; • az előbbi matematikai modellekhez illesztett irányítási stratégia, szakértői és döntéstámogató rendszer létrehozását célozzák meg.

7. Az így megvalósuló teljes infokommunikációs technológia (a kialakított szoftvercsomag) alkalmas lehet egy régió meghatározó energia-elosztó rendszerei (városi távfűtő, gázszolgáltató, vízmű hálózat stb.) informatikai infrastruktúrájának kialakítására, továbbfejlesztésére . • Az anyag- és energiaáram hálózat identifikációs vizsgálata Az identifikációs vizsgálatok során a következő főbb feladatok elvégzésére kerül sor: 1. A vízgőzhálózat identifikációs méréseinek elvégzése az állandó, ill. változó impedanciával rendelkező ellenállásokat (az egyes berendezések, csővezetékek adott kondenz-terhelés esetén állandó, a záró-szerelvények százalékos nyitásuktól függően változó impedanciájú ellenállások) tartalmazó ágak jellemzőinek meghatározása céljából. 2. A vízgőzhálózatot stacionárius állapotban leíró hálózatos modell felállítása, mely feltételezi

8. az egyes ágakat jellemző egyenletek: ahol - az ág passzív elemein létrejövő össznyomásesés; - az ág passzív elemeinek összellenállástényezője, amely a vezetékszakasz ellenállástényezőjének és az adott szerelvény-nyitáshoz tartozó változó ellenállástényezőnek összege; - a passzív elem térfogatárama; - az ágra jellemző állandó; - kondenzáram/vízgőzáram arány (kondenz- terhelés); - anyagi minőségtől függő tényező.

9. a vízgőzhálózatra vonatkozó csomóponti egyenletek: ahol - az i. csomópontba befutó j. áram; - az i. csomópontba befutó forrásáram. • a vízgőzhálózat hurokegyenleteinek: illetve ahol - a k. ág nyomásesése; - a k. ágban levő forrásnyomás; - csomóponti nyomások, a k. ág végpontjainak egy választott bázispontra vonatkoztatott nyomásai ismeretét.

10. 3. A vízgőzhálózat nemlineáris egyenletrendszerének numerikus megoldása iteratív módszerrel, azaz a hálózatelemek és állan-dóinak, a csomóponti forrásáramok, a ágforrásnyomások, továbbá a csomóponti nyomások becsült értékeinek (az egyenletrendszer megol-dásához szükséges kezdeti feltételek) ismeretében a csomóponti nyomások és az ágáramok aktuális értékeinek meghatározása. • A hálózati egyenletek megoldása Célunk tehát a technológiába történő beavatkozások esetén az ágáramok aktuális értékének a meghatározása. Tekintsük a vízgőzhálózatnak egy olyan ágát, amely ideális nyomás-, ill. áramforrást tartalmaz A vízgőzhálózat ága

11. Az ábrán feltüntetett jelölések figyelembevételével a következőkben a hálózati egyenletek csomóponti alakját (F(p’))kívánjuk megadni. A hálózat valamennyi ágában lévő passzív elemre a nyomásesés és a térfogatáram közötti nemlineáris összefüggés: A nyomások és a térfogatáramok lehetséges összevonásával: ( ; ) Az ágadmittancia definiáló összefüggése: A térfogatáramot kifejezve: s ezt az előző összefüggésbe behelyettesítve:

12. Az ágimpedancia definiáló összefüggése: Az egyes ágak admittanciáit egyetlen diagonális mátrixban egyesítve nyerjük a hálózat primitív admittancia mátrixát. A passzív elemek eredő ellenállástényezői: A csomóponti áramokra vonatkozó alaptétel: Az előbbi összefüggések csomóponti áramokra kifejezett alakját: behelyettesítve az előző egyenletbe nyerjük a hálózati egyenletek csomóponti alakját:

13. ahol - ág-csomóponti mátrix transzportáltja; - topológiai mátrix; - primitív admittancia mátrix (az ágadmittanciákból képzett diagonális mátrix); - csomóponti nyomás vektor; - csomóponti forrásáram vektor. A gázhálózatok egyenleteinek megoldására szolgáló gyakorlati módszerek egy része a Newton-Raphson eljárást használja. E módszer lényege: Legyen az összesen - számú ismeretlent tartalmazó nemlineáris egyenletrendszer általános alakja:

14. Ha az egyenletrendszer megoldásértékeinek első közelítése, ezeknek a valóságos megoldásoktól való eltérése, ezeket behelyettesítve az előbbi alakba: Az F 1 , F2 … Fnfüggvényeket Taylor sorba fejtve és a magasabbrendű tagokat elhagyva:

15. Az függvények, s a differenciálhányadosok adott értékűek, így ismeretlenekre nézve elsőrendű lineáris egyenletrendszer megoldása a feladat. A nemlineáris egyenletrendszer megoldásának így nyert, első közelítését induló értékként használva az eljárás ismétlésével hasonló lineáris egyenletrendszer nyerhető, mely újabb közelítést szolgáltat. Az eljárás konvergál, ha környezetében teljesül: Az előbbi egyenletrendszer mátrixos formában megjelenítve:

16. Az általános alakú, mátrixos formában megadott egyenletrendszerhez hasonló eredményre vezet a hálózati egyenletek csomóponti alakjának megoldása is, ha , illetve a csomóponti nyomások két egymásutáni iterációs ciklusban számított értékeinek vektora: illetve az vektorfüggvény, valamint ennek Jakobi-féle mátrixa közötti kapcsolat a következő: ahol - Jakobi-féle mátrixból számítható inverz mátrix. A teljes mátrix pedig a következőképp jellemezhető: ahol - a differenciális admittancia mátrix; ill. - a topológiai mátrix, illetve annak transzformáltja.

17. A Newton-Raphson algoritmus a nemlineáris hálózat csomóponti egyenletére felírva: ahol - a hálózati egyenletet a csomóponti nyomásoktól függően jellemző vektorfüggvény i-edik közelítése; - az előbbi vektorfüggvény Jakobi-féle mátrixa; - a Jakobi-féle mátrixból képezhető inverz mátrix, amely a mátrix adjungáltja és a mátrix determinánsa hányadosaként értelmezhető; - a csomóponti nyomások két egymásutáni iterációs ciklusban számított értékeinek vektora. Így jutottunk el tehát a hálózat csomóponti egyenleteinek megadásával a mátrixos formában megjelenített, általános alakú egyenletrendszerig.

18. 5. A projekt várható regionális hatásai A projekt alábbiakban megnevezett eredmény-mutatói: - a vízgőzfogyasztások megbízható mérése, a fogyasztóhelyek folyamatos és egyidejű megfigyelhetősége (a megvalósult monitoring rendszer), - a vízgőzhálózat energiatermelőhöz és fogyasztókhoz igazodó működtetése változó energiaelosztással, beavatkozó szervek alkalmazásával (a kialakítandó irányítási rendszer), - a biztonságos üzemvitelt, gazdasági és egyéb szempontokat is támogató szakértői rendszer kialakítása elsősorban a konzorciumi partnert (PÉTÁV Távfűtő Kft.), de az energiaelosztásban érintett, jelenlegi nagyfogyasztókat is befolyásolják. Ugyanakkor a betervezett ütemezéssel a teljes infokommunikációs rendszer kifejlesztése (ennek mindhárom eleme) egyben hatásmutató szerepet is betölt.

19. Ugyanis a teljes infokommunikációs rendszer létrehozásával, s ennek - az energiaelosztásban érdekelt valamennyi partner (termelő, szolgáltató, felhasználók) számára biztosított - elérhetőségével vélhetően további egyez-tetések indulnak meg az egyes partnerek között a tényleges energiafel-használások, illetve az arányosan leosztott veszteségek kiszámlázásaérdekében a termelő és a fogyasztók igényeinek és lehetőségeinek összehangolása céljából. Az egyes partnereknél - a kialakított és elérhető infokommunikációs technológia, - az üzemvitelről (a rendelkezésre álló hőenergiáról, annak állapotáról, kalorikus jellemzőiről), az üzemviteli változásokról (a beavatkozások, az energiaelosztás módosításának lehetősége) mindenkor rendelkezésre álló információ új fejlesztéseket, a fajlagos energiafelhasználás, illetve az energia-veszteségek csökkentésére irányuló innovatív tevékenységeket indít el.

20. A vízgőzhálózat jelenlegi kiépítettségét és kapacitását alapul véve a számító-gépes felügyeleti rendszer kialakítása és üzembe helyezésenöveliesélyét új nagyfogyasztók bevonásának és kiszolgálásának is, ami ugyancsak új beruházásokhoz, a kapacitások jobb kihasználásához vezethet. Rövidtávon az energiaelosztásban résztvevő partnerek egyéni érdekei, illetve lehetőségei nem szorgalmazzák az energiaáram-hálózat nagy költségekkel járó korszerűsítését. Hosszútávon, illetve regionális szinten azonban mindenképp eldön-tendő, hogy az energiaellátás korszerűsítése, az energiaveszteségek csökkentése milyen alternatívákból választva valósítható meg.Ezeket az alternatívákat szeretné feltárni a projekt innovatív informatikai alkal-mazásokkal, infokommunikációs technológiák alkalmazásával. A műszaki informatikai ismeretek gyakorlatban való hasznosítása, a legújabb kutatási irányok (nagy rendszerek komplexitás-kezelése, mester-séges intelligencia-alkalmazások stb) követése és gyakorlati alkalmazásanagymértékben indokolja, hogy a partner biztosítsa a technológiai rend-szer elérhetőségét, az alkalmazott kutatás-fejlesztés művelésének, az infokommunikációs rendszer kiépítésének lehetőségét a non-profit szervezet számára.